JP5997815B2 - 回生型緩衝装置 - Google Patents

Description

（関連出願）本願は、参照によりその内容全体が本明細書に援用される、２００８年４月１７日に出願された米国特許出願第１２／１０４，８００号（「Regenerative Shock Absorber」）の優先権を主張する。

本発明は、緩衝装置に関し、より詳細には、車両のサスペンション・システムの相対運動によって生じるエネルギーを捕捉する緩衝装置に関する。

自動車は、燃料に熱として蓄えられるエネルギーの８０％超を無駄にすることから非効率的であることが知られている。したがって、車両タンク内の１０ガロン（約３７．８５リットル）につき８ガロン（約３０．２８リットル）が車両の推進に役立っていないことになる。

自動車製造業者は、燃料経済性を改善するためにコスト面での大きな進歩を遂げている。例えば、回生制動は、多くのハイブリッド自動車の標準になっている。また、自動車メーカーは、流線形の低空気抵抗車体設計を利用して燃料経済性が改善されるように、空気抵抗の低減に向けた多大な努力を払っている。また、各製造業者は、燃費を低減するために、より軽量で高コストな材料を利用して車両重量の低減も図っている。

自動車は、車両に対する車輪の上下運動を制御するサスペンション・システムを含む。スプリングに加えて、減衰を実現する緩衝装置も設けられる。従来のサスペンション・システムから取り出されるエネルギーは、熱として失われる。サスペンション・システム・エネルギーの回収を試みるシステムが知られている。例えば、米国特許第７，２６１，１７１号には、車体に対する車輪の往復運動が発電機の電機子の回転に変換されて、車両のバッテリを再充電する電気が生み出される機械構成が示されている。米国特許第５，５７０，２８６号には、導電コイルに対して移動する磁石を利用した別の電気機械式回生システムが開示されている。

継続中の米国特許出願公開第２００７／００８９９２４Ａ１号には、車体とその車輪との間の相対運動に由来するエネルギーを回収する油圧システムが開示されている。しかしながら、この米国特許出願では、必要とされる減衰機能を従来の緩衝装置によって提供する必要がある。更に、この米国特許出願には、作動システムにとって必要な油圧回路内の容量性リザーバ（capacitive reservoir）が欠如している。

したがって、本発明の一目的は、車両のサスペンション・システムの往復運動に由来するエネルギーを回収するだけでなく、別個の緩衝装置が必要なくなるように減衰機能も提供する回生型緩衝装置を提供することである。

一態様では、本発明の回生型緩衝装置（Regenerative Shock Absorber）は、車両のサスペンション・システムが撓曲(deflect)するときにシリンダ内で往復運動するように配設されたピストンを含む。前記シリンダ内には油圧作動油が収容される。第１の流体回路は、（１）前記シリンダ内の前記ピストンの第１の側にある第１のチャンバと流通し、（２）油圧モータと流通し、（３）容量性リザーバと流通する。前記ピストンの圧縮時に、油圧作動油（hydraulic fluid）は、前記油圧モータ内を通過し、それによって前記油圧モータのシャフトを回転させる。第２の流体回路は、前記シリンダ内の前記ピストンの第２の側にある第２のチャンバと流通するとともに、前記第１のチャンバとも流通する。前記ピストンの伸長時に、油圧作動油は、前記第２のチャンバから前記第１のチャンバ内に進入する。発電機は、前記油圧モータのシャフトに接続され、前記シャフトの回転時に電気を生成する。

また別の態様では、本発明の回生型緩衝装置は、前記緩衝装置の圧縮時と弛緩時の両方においてエネルギーが獲得され得るような油圧回路構成を含む。本実施形態では、前記緩衝装置の圧縮時又は弛緩時に、結果としてもたらされる前記油圧モータの両端間の差圧によって出力シャフトの回転運動が誘起される。この出力シャフトは、永久磁石発電機／ＤＣ電動機に直接接続される。前記モータのワット数定格は、全体的に車両の質量及びスプリングの剛性に基づいて選択される。

発電機によって生成される電気エネルギーは、例えば車両のバッテリにおいて生成又は蓄積されるので、車両によって使用可能となる。好ましいことに、このように獲得される電気は、通常であれば内燃機関の大きな負担となる車両上の各種コンポーネントの給電に使用され、それによって燃料効率が改善される。

油圧回路内の基本的な流体損失はあるにせよ、逆ＥＭＦによって固定子に対する電機子の回転運動が阻止されることから、減衰は主に発電機によってもたらされる。この抵抗は、油圧モータによって動作流体（shock fluid）に直接伝達される。モータによってもたらされる減衰力は、油圧作動油の速度に正比例するように選択され、したがって、減衰力は流速が増加するほど大きくなる。

容量性リザーバは、本発明の緩衝装置の圧縮工程時に導入されるピストン・シャフトの体積を収容する。

本明細書に開示される本発明の一実施形態の断面図である。 ピストン圧縮時の流体の流れを示す図１の実施形態の断面図である。 油圧モータ内の流体の流れを示す図１の実施形態の断面図である。 ピストン伸長時の流体の流れを示す図１の実施形態の断面図である。 シリンダの上部に入る流体の流れを示す図１の実施形態の断面図である。 サスペンション・システムの圧縮時及び伸長時の両方で電力が獲得される本発明の別の実施形態の概略図である。 本発明と共に使用されるパワー・エレクトロニクスの一実施形態の概略図である。

以下ではまず、本発明の基礎となる理論の一部について論じる。獲得されるエネルギーの価値の有無を判断することができるように、車又はトラックの上下運動においてエネルギーが典型的にどの程度失われるかに留意することが重要である。本発明者らが使用するために選択したモデルは、車の上下運動に存在するエネルギーが車のスプリングの圧縮時と伸長時に観察され得る単純なスプリング・ベース・モデルである。圧縮されたスプリングのエネルギーは、次式によって与えられる。

本発明者らは、ｋが１．２×１０^５Ｎ／ｍのときの実験判定値を使用して、３５００ポンド（約１５８７ｋｇ）の自動車では、鉛直変位によって蓄えられる単一スプリングのエネルギー量が以下に示す表のようになることを発見した。なお、大型トラックのスプリング剛性は更に高くなることに留意していただきたい。

１ｃｍの変位：６Ｊ ２４Ｊ
３ｃｍの変位：５４Ｊ ４輪合計 ２１６Ｊ
６ｃｍの変位：２１６Ｊ ８６４Ｊ
９ｃｍの変位：４８６Ｊ １９９４Ｊ

本発明者らは、スプリングが周波数３Ｈｚ、大きさ２ｃｍの振動を受けると仮定して、市街地走行をシミュレートした。作業は、スプリングの圧縮と伸長の両方の運動からエネルギーが獲得できるようにスプリングの圧縮と伸長の両方について実施したことを改めて確認しておく。これらの仮定に基づけば、１時間の走行で生成される獲得可能なエネルギーは、１．３４キロワット時である。

ここで添付図面を参照すると、図１は、第１の実施形態における全体的なシステムを示す。本体（shock body）１０は、内部でピストン１２が往復運動するシリンダである。逆止弁１４、１６、及び１８は、油圧作動油の流れを制御する。本システムは、油圧モータ２０及び容量性リザーバ２２も含む。

次に図２を参照して、ピストン１２を圧縮したときの油圧作動油の流れについて説明する。ピストン１２が圧縮されると、加圧された油圧作動油がチャンバ２４の上部に持ち上げられ、逆止弁１６内を通過する。逆止弁１４は、油圧作動油が下部チャンバ２６内に流入するのを防止する。この流体は、逆止弁１６を通過した後、油圧モータ２０内及び容量性リザーバ２２内に送られる。容量性リザーバ２２は、瞬間的な圧力サージを蓄える働きをするとともに、油圧作動油が油圧モータ２０内に供給されるときに油圧作動油の圧力を平滑化する。

次に図３を参照すると、油圧作動油は、油圧モータ２０を通過するときにモータのシャフトを回転させる。モータ２０のシャフトは、永久磁石発電機のような発電機５０に結合されている。発電機の出力は、油圧モータが回転するときにバッテリを充電することができ、あるいは自動車の電気系統に給電することができる。発電機５０の出力には、後述するパワー・エレクトロニクスが接続されている。

図４は、ピストン１２を伸長したときの流体の流れを示す。ピストン１２が下方に移動すると、加圧された油圧作動油がチャンバ２６の底部で圧縮され、逆止弁１４内を通過する。逆止弁１８は、流体が油圧モータ２０内に逆流するのを防止する。逆止弁１４内を通過した流体は、図５に示すように上部チャンバ２４内に流入する。

上記の流体流回路（fluid flow circuit）の少なくとも１つの流れ特性は、エネルギーの回収に加えて効果的な減衰ももたらすように選択することができる。このようにして、本発明のシステムは、エネルギー回収だけでなく車輪制御のための効果的な減衰も実現するので、従来の緩衝装置の必要性が解消される。

本発明のまた別の実施形態が図６に示されている。本実施形態によれば、ピストンの圧縮と伸長の両方においてエネルギーを回収することが可能となる。シャフト４０によって支持されるピストン１２が圧縮されると、油圧作動油は、逆止弁４２内を通過して容量性リザーバ２２内に流入し、また、容量性リザーバ２２は、システムの圧縮工程時に導入されるピストン・シャフト４０の体積を吸収するエマルジョン・ダイヤフラム（emulsion diaphragm）４４を有する。油圧作動油は、油圧モータ２０内にも流入し、逆止弁４６及び４８を通って本体１０に戻る。油圧モータ２０は、発電機５０を作動させる。適切な発電機５０は、永久磁石発電機／ＤＣ電動機である。

ピストン１２が伸長されると、油圧作動油は、逆止弁５２を通過して容量性リザーバ２２内に流入するとともに油圧モータ２０内に流入する。上述の場合と同様に、油圧作動油は、逆止弁４６及び４８を通って本体１０に戻る。油圧作動油は、ピストン１２の圧縮伸長時にモータ２０を通じて同じ方向に流れ、それにより、発電機５０の作動のためにモータ２０のシャフトを同じ方向に回転させることに留意していただきたい。

次に図７を参照して、本発明の回生型緩衝装置を実施するパワー・エレクトロニクスについて述べる。発電機５０の出力は、ＤＣ発電機５０からの出力を低抵抗素子６２と、電圧制御出力コンバータ（voltage controlled output converter）６４と、開回路接続６６との間で切り替える時間平均抵抗帰還コントローラ（time-averaged resistance feedback controller）６０に接続されている。電圧制御出力コンバータ６４の出力は、カー・バッテリ６８のような出力負荷に常時接続されている。電圧制御出力コンバータ６４は、必ずしもバック／ブースト・コンバータである必要はないが、バック／ブースト・コンバータが１つのタイプの電圧制御出力コンバータである。ここでバック／ブースト・コンバータに言及する理由は、それが電圧制御コンバータを実装する１つの一般的な手法であるからである。バック／ブースト・コンバータと呼ばれることもある電圧制御出力コンバータ６４は、基準電圧に調整された電圧帰還回路を有し、それによって所与の出力電圧レベルを維持する。このような構成により、いくつかの回生型緩衝装置を並列配線し、安全な電圧出力を保証する電圧基準を設定することが可能となる。コンバータ６４内のダイオード（図示せず）は、発電機５０からの電力の流出のみ可能となることを保証する。コンバータの入力上のフィルタリング・キャパシタ（図示せず）は、時間平均抵抗帰還コントローラが複数の素子間で発電機の切り替えを行っている間も、コンバータの入力に対する電圧を維持する。減衰レートを制御するために、発電機５０の出力は、抵抗素子６２と、バック／ブースト・コンバータ６４と、開回路接続６６との間で切り替えられる。典型的な出力負荷（未充電のカー・バッテリ等）の場合、このモードは、それぞれ「ｈｅａｖｙ（高）」、「ｍｏｄｅｒａｔｅ（中）／ｈｅａｖｙ（高）」、及び「ｎｏ ｄａｍｐｉｎｇ（無減衰）」（即ち摩擦無視）となる。パルス幅変調（ＰＷＭ）を使用してこれらの選択肢間の切り替えを高いレートで実行すると、非常に選択性の高い減衰制御が可能となる。出力電力は発電機５０がバック／ブースト・コンバータ６４に接続されている間しか取り出されないので、コントローラ６０は、この接続を使用して抵抗性接続と開接続との間の切り替えを行うようにバイアスされる。典型的には、このコントローラ６０には、発電機側から確認される抵抗を判定するのに適したセンサを有するマイクロ・コントローラが使用される。抵抗帰還コントローラ６０とコンバータ６４の切り替え速度はいずれも、コンバータ６４及びそれ自体の入力キャパシタが連続的に導通可能となることを保証するように選択される。

コントローラ６０は、発電機５０の巻線両端の抵抗を変更する故に、緩衝装置の減衰特性に影響を与え、また、出力電圧を調整してシステムといくつかのタイプの負荷との間の安全な接続を可能にする。上述のとおり、発電機の巻線両端の抵抗は、発電機５０の出力リード線を３つのソース間、即ち低抵抗素子６２と、コンバータ６４と、開回路６６との間で切り替えることによって達成される。低抵抗素子６２（閉回路接続（配線）等）は、高い減衰力を生み出す。開回路接続６６は、非常に低い減衰をもたらす。コンバータ６４は、コンバータ６４の出力に接続される負荷に応じて様々な減衰力を提供する。コントローラ６０は、帰還(feedback)を使用して発電機５０の両端の所与の時間平均有効抵抗を達成することが好ましい。この帰還は、発電機の両端子間に置かれる電圧電流センサのようなセンサを始点としてもよい。この抵抗は、製造業者又はドライバーによって（道路条件、運転、又は貨物に基づいてサスペンション・ダイナミクスが動的に調整されるように）設定することができ、あるいは貨物重量に基づいて減衰を調整するひずみゲージのようなセンサによって設定することも可能である。出力電圧の調整は、主にコンバータ６４によって達成される。コンバータ６４は、給電されたときに一定の電圧出力を維持する独自の帰還ループを有する。サスペンションからの入力電力は変化するため、コンバータ６４は、電流の流れの変動を許容しながら電圧を定常に保つ。コンバータ６４の回路は、出力電圧に基づく負帰還を用いる標準的なバック／ブースト・コンバータと同様である。この構成により、電力の流出のみとなること（負荷によって入力、本例では発電機が駆動され得ないこと）が保証される。キャパシタ（図示せず）は、出力電圧を平滑化する。所与の電圧を維持し、一方向の電流の流れを保証し、ＰＷＭ入力に対応する十分な入力フィルタリングを有することが可能な効率的なコンバータであれば、どのようなタイプのコンバータでも使用できることに留意していただきたい。バック／ブースト・コンバータ６４は、そのようなコンバータの単なる一例にすぎない。

この回路は、切り替えデューティ・サイクルに応じて出力電圧を減少又は増加させる効果を有する。デューティ・サイクルは、所与の出力電圧を維持する帰還ループを介して制御される。寄生を無視すれば、バック／ブースト・コンバータ６４の動作は、完全に効率的である。したがって、本明細書に開示される回生型緩衝装置が従来の１２Ｖカー・バッテリに接続された場合、コンバータ６４は、発電機からの１Ａ、６Ｖを０．５Ａ、１２Ｖに変換する。同様に、コンバータ６４は、１Ａ、４８Ｖを４Ａ、１２Ｖに変換する。電圧は入力によらず一定であるが、電流は変化することに留意していただきたい。電力の節約だけでなく、発電機からのすべてのエネルギーを利用することが可能となる。

図７の構成は、抵抗素子６２を介してエネルギーを熱として放散することができる。例えば、本発明の回生型緩衝装置がフル充電されたバッテリに接続されている場合は、エネルギーがそれ以上バッテリに入ることはないため、安全である。したがって、この状態は、システムが負荷から切断されているのと同様である。したがって、単純な実装環境では、発電機の端子間の抵抗はほぼ無限となり、その結果、逆ＥＭＦはゼロとなる。逆ＥＭＦが存在しなければ、（摩擦源に由来するものを除けば）サスペンションの減衰も存在しないことになり、緩衝装置は、サスペンションの動きの減衰というそれ自体の主要な目的を果たさないことになる。このようなエラー・ケースは、抵抗素子６２を介してエネルギーを熱として選択的に放散させることによって解決される。本回路は、発電機の巻線と低抵抗素子との間の接続をパルス幅変調することができる。この低抵抗接続を用いると、シャフト速度に比例し接続抵抗に反比例する逆ＥＭＦを発電機によって生み出すことが可能となる。このモードでは、使用可能なエネルギーは得られない。発電機５０が開回路接続６６に接続されると、発電機の巻線が負荷から切断される。発電機の出力は、事実上開回路となる。このモードでは、バックＥＭＦは殆ど生み出されず、使用可能なエネルギーは得られない。

図７に関して上述したパワー・エレクトロニクスは、４つの目的を達成する。まず、本回路は、各緩衝装置がそれ自体の接続先となる出力負荷、即ちバッテリ電圧と独立して作用することが保証される発電機の分離を実現する。次に、本システムは、ユーザによって電子的に修正される、又は車両重量に基づいて性能を調整するひずみゲージ・センサのようなセンサを介して自動的に電子的に修正される可変減衰（variable damping）を実現する。これらのセンサは、単に抵抗帰還コントローラによって調整される基準抵抗を変更するだけである。本システムは、並列に配線された複数の緩衝装置間の電圧を整合させることにより、複数の緩衝装置による協働も可能にする。最後に、本回路は、出力電圧を安全なレベルに調節することによってバッテリ・セーフ充電も実現する。

本発明の回生型緩衝装置は、任意の車輪車両に適用可能であるが、大型トラックは、その重量の大きさとサスペンション・スプリング剛性の高さから格好のターゲットといえる。本技術は、軍事車両にも適している。

本明細書に開示した本発明の様々な修正形態及び変更形態が当業者には明らかとなることが理解されるだろう。そのような修正形態及び変更形態はすべて、添付の特許請求の範囲に含まれる。

Claims (20)

1. 車輪と、当該車輪の上下運動を制御するサスペンションシステムと、を有する車両に用いられ、前記サスペンションシステムに接続される緩衝装置であって、
   車輪の動きに応答してシリンダ内で往復運動するように配設され、ピストンシャフトを含むピストンと、
   前記シリンダ内に収容される油圧作動油と、
   シャフトを有する油圧モータと、
   前記ピストンの第１の側の前記シリンダ内にある第１のチャンバと前記ピストンの第２の側の前記シリンダ内にある第２のチャンバとの間で、前記油圧モータを通る第１の流体流路であって、第１の動作条件の間、油圧作動油は、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間の前記第１の流体流路に沿って前記油圧モータを通って流れて前記油圧モータのシャフトを回転させる、第１の流体流路と、
   前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間で、前記油圧モータを通らない第２の流体流路であって、第２の動作条件の間、油圧作動油は、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間の前記第２の流体流路に沿って前記油圧モータを通らずに流れる、第２の流体流路と、
   前記ピストンの圧縮時に前記第２のチャンバに導入される前記ピストンシャフトの体積を吸収するように構成された容量性リザーバと、
   前記油圧モータのシャフトに接続され、前記シャフトの回転時に電気を生成する発電機と、
   前記発電機からの電流を変更し、前記緩衝装置の減衰特性を変更するコントローラと、を備える緩衝装置。
2. 流れを制御するために前記第２の流体流路内に逆止弁を更に含む、請求項１に記載の緩衝装置。
3. 可変減衰を実現するパワー・エレクトロニクス回路を更に含む、請求項１に記載の緩衝装置。
4. 前記パワー・エレクトロニクス回路は、時間平均抵抗帰還コントローラと、電圧制御出力コンバータと、を含む、請求項３に記載の緩衝装置。
5. 前記コントローラは、少なくとも開回路と電気的負荷との間で前記発電機に対する接続を選択的に切り替えることによって、前記発電機の巻線における電流を制御する、請求項１に記載の緩衝装置。
6. 前記コントローラは、パルス幅変調を使用して、前記開回路と前記電気的負荷との間で前記発電機に対する接続を選択的に切り替える、請求項５に記載の緩衝装置。
7. 前記発電機の減衰が、前記電気的負荷に対する電力出力と独立している、請求項５に記載の緩衝装置。
8. 前記電気的負荷と前記発電機との間の電気的接続は出力電力コンバータを備える、請求項５に記載の緩衝装置。
9. 前記電気的負荷は車両のバッテリを備える、請求項５に記載の緩衝装置。
10. 油圧作動油は、前記油圧モータを通って一方向にのみ流れる、請求項１に記載の緩衝装置。
11. 車輪と、当該車輪の上下運動を制御するサスペンションシステムと、を含む車両に用いられ、前記サスペンションシステムに接続される緩衝装置であって、
    車輪の動きに応答してチャンバ内で往復運動するように配設されたピストンと、
    前記ピストンの第１の側の前記チャンバの第１の部分から、前記ピストンの第２の側の前記チャンバの第２の部分への、シャフトを有する油圧モータを通る第１の流体流路であって、第１の動作条件の間、油圧作動油は、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間の前記第１の流体流路に沿って前記油圧モータを通って流れて前記油圧モータのシャフトを回転させる、第１の流体流路と、
    前記ピストンの前記第１の側の前記チャンバの前記第１の部分から、前記ピストンの前記第２の側の前記チャンバの前記第２の部分への、前記油圧モータを通らない第２の流体流路であって、第２の動作条件の間、油圧作動油は、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間の前記第２の流体流路に沿って前記油圧モータを通らずに流れる、第２の流体流路と、
    前記油圧モータのシャフトに接続された発電機であって、前記第１の流体流路内の油圧作動油が前記油圧モータを通ることによって前記油圧モータのシャフトが回転させられたときに電気を生成する発電機と、
    前記発電機の電流を変更し、前記緩衝装置の減衰特性を変更するコントローラと、を備え、
    前記発電機の逆起電力は、前記シャフトの運動と前記油圧モータを通る油圧作動油の流れとを規制して、前記車輪の動きの減衰を提供する、緩衝装置。
12. 油圧作動油が前記第２の流体流路から前記油圧モータに流れ込むことを防止するための前記第２の流体流路内の一つ以上の逆止弁を更に備える、請求項１１に記載の緩衝装置。
13. 前記発電機の出力を制御するパワー・エレクトロニクス回路を更に備える、請求項１１に記載の緩衝装置。
14. 前記パワー・エレクトロニクス回路は、時間平均抵抗帰還コントローラと、電圧制御出力コンバータと、を含む、請求項１３に記載の緩衝装置。
15. 前記コントローラは、少なくとも開回路と電気的負荷との間で前記発電機に対する接続を選択的に切り替えることによって、前記発電機の巻線における電流を制御する、請求項１１に記載の緩衝装置。
16. 前記コントローラは、パルス幅変調を使用して、前記開回路と前記電気的負荷との間で前記発電機に対する接続を選択的に切り替える、請求項１５に記載の緩衝装置。
17. 前記発電機の減衰が、前記電気的負荷に対する電力出力と独立している、請求項１５に記載の緩衝装置。
18. 前記電気的負荷と前記発電機との間の電気的接続は出力電力コンバータを備える、請求項１５に記載の緩衝装置。
19. 前記電気的負荷は車両のバッテリを備える、請求項１５に記載の緩衝装置。
20. 油圧作動油は、前記油圧モータを通って一方向にのみ流れる、請求項１１に記載の緩衝装置。

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